La physique des Railgun, WIRED
Cette démo est sûr pour vous d'essayer à la maison - si vous avez une boussole magnétique réelle.
Un canon conventionnel a un certain type de coque dans un tube. La coquille est alors lancée par l'expansion de l'explosion de poudre à canon. Qu'en est-il un railgun? Cette arme peut tirer un projectile à des vitesses énormes sans même utiliser un gaz en expansion. Mais comment ça fonctionne?
Laissez # x27; s go sur certains des principes de base pour le railgun à fonctionner.
Electric Currents Faire des champs magnétiques -------------
Voici une expérience simple. Vous avez probablement les matériaux de sorte que vous pouvez essayer à la maison. Eh bien, vous pourriez ne pas avoir un compas magnétique - mais vous devriez obtenir un de toute façon (votre téléphone gagné # x27, le travail t dans une apocalypse zombie). Prenez ensuite un fil (tout fil conducteur devrait probablement travailler) et placer le fil de telle sorte qu'il est orienté le long d'une ligne nord-sud sur la boussole. Comme ça:
Lorsque vous vous connectez ce fil à une batterie, vous verrez l'aiguille du compas magnétique en dessous du fil se déplacer un peu. Dans quelle mesure il se déplace dépend de la quantité de courant électrique est en cours d'exécution à travers le fil (et à quel point l'aiguille est sur le fil). Don # x27; t garder le fil sur la batterie pendant trop longtemps, il va faire chaud.
Cette démonstration simple boussole montre quelque chose très important. Les courants électriques créent des champs magnétiques. Ces champs magnétiques interagissent avec la boussole et faire bouger.
Le motif de ce champ magnétique est également important. Si vous deviez regarder la direction du champ magnétique a différents endroits autour du fil, il ressemblerait à ceci:
Capture d'écran d'un programme VPython montrant le calcul du champ magnétique.
Les champs magnétiques encliquetable Electric Currents --------------
Si quelque chose fait un champ magnétique, alors même chose connaîtra une force lorsqu'elle est placée dans un champ extérieur. Voici une autre démonstration rapide.
Le fil avec un courant est proche de l'aimant. Lorsque le courant traverse le fil, il y a une force magnétique sur le fil qui l'amène à se balancer. Qu'en est-il la direction de la force? Cette force est perpendiculaire à la fois la direction du courant et la direction du champ magnétique. Dans cet exemple (à partir de la vidéo), le courant est à la gauche et le champ magnétique est à la hausse. Il n'y a que deux directions perpendiculaires à ces deux vecteurs. Une direction est dans la direction des oscillations de fil.
Mettre ces deux idées, vous pouvez faire un railgun. Le dispositif est simple dans sa conception. Vous avez deux rails parallèles (ainsi appelés un railgun) et un projectile mobile qui est aussi comme un fil. Un courant électrique tombe en panne un fil, à travers le projectile, puis de nouveau vers le bas l'autre rail. Entre les deux rails parallèles, à la fois des champs magnétiques en raison des points de rails dans la même direction et faire un champ magnétique plus fort. Ce champ magnétique pousse alors sur le projectile avec le fonctionnement courant qui le traverse pour le propulser hors du railgun. Boom. Un projectile.
Capture d'écran d'un programme VPython montrant la force exercée sur un fil.
Les flèches cyan représentent les champs magnétiques des deux rails. Les flèches rouges sont le courant électrique et la flèche grise est le vecteur de force sur le fil mobile traversant les deux rails. Ce # x27; s votre railgun.
Pouvez-vous construire un Railgun? ---------
Voici la démonstration railgun j'ai commencé.
Image: Rhett Allain
Les deux rails plus épaisses sont maintenus dans une position parallèle avec des pièces de Lego et reliées à une alimentation électrique. L'ensemble des rails est un fil mince à agir en tant que « projectile ». J'ai commencé avec une boule de métal sur les rails. Je me suis dit la balle roulerait mieux et regarder plus fraîche.
J'avais tort. Ce didn # x27, le travail t. J'ai même tourné l'alimentation de façon à ce qu'il y avait 10 ampères de courant électrique qui traverse les rails. Rien ne s'est passé.
Voici l'endroit idéal pour un calcul rapide-la-enveloppe. L'idée est de faire quelques hypothèses de base pour obtenir une estimation approximative de la valeur de la force sur le fil. Il doesn # x27; t doivent être une estimation parfaite, juste dans un ordre de grandeur serait bien.
Voici mes hypothèses:
- Le champ magnétique entre les deux rails a une valeur constante. Bien sûr, cela ne va pas, mais je ne # x27; t soins.
- Le champ magnétique au centre des deux rails peut être calculée en utilisant la formule pour le champ magnétique en raison d'un long fil. Encore une fois, cela est faux. La formule « long fil » suppose que vous êtes au milieu d'un long fil. Dans ce cas, il n'y a pas de courant électrique dans le rail passé la croix sur le fil.
Maintenant, pour le calcul. Le champ magnétique en raison d'un long fil droit serait:
0 sur 4π est juste une constante. r est la distance entre le centre du fil. Si j'utilise une distance de 2 cm et un courant de 10 ampères, je reçois un champ magnétique de 2 x 10 -4 Tesla.
Maintenant, si j'ai le même 10 d'ampli en cours d'exécution à travers les 2 cm de long croix sur le fil (projectile), je peux utiliser ce qui suit pour calculer la force exercée sur un fil avec un courant:
Etant donné que le champ magnétique et le courant sont perpendiculaires, c'est facile de calculer l'ampleur de la force. Je reçois une valeur de 4 x 10 -5 Newtons.
Ce # x27; est pas une très grande force. Que faire si j'augmenté le courant? En fait, puisque les deux la force et le champ magnétique sont proportionnelles au courant, doublant le courant augmenterait la force par un facteur de 4. OK, # x27; s dire que j'avais 100 ampères dans mon rail. Cela augmenterait la force à seulement 4 x 10 -3 N. Ce # x27; s ne suffit pas. En outre, il n'y a aucun moyen mon alimentation pourrait obtenir jusqu'à 100 ampères.
Qu'en est-il de 1000 ampères? Oui, cela pourrait le faire. Vraiment, la seule façon d'obtenir que haute d'un courant est avec un certain type de batterie de condensateurs qui peut être déchargé très rapidement. Mais attendez! Si j'ai 1000 ampères dans les rails, a gagné # x27; t les rails poussent aussi les uns des autres? Oui.
Comme je l'ai dit, je # x27; ne vais pas construire une version de démonstration d'un railgun.
Construisez votre propre railgun.
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